一种电储能装置均衡方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池管理系统领域，具体涉及一种电储能装置均衡方法。
【背景技术】
[0002]新能源车辆产业化，电池是瓶颈；其中，铅酸电池实际应用较多，锂离子电池有望产业化，但普遍都存在单体间的一致性问题，且并不仅仅是需要均衡那么简单。在电池上、中、下游产业链的生产和应用过程中，实际为了追求单体的一致性投入了很高成本，造成锂离子电池初始成本、整车价格和后续更换费用都较高，阻碍着新能源车辆进一步商品化，为此一致性问题必须彻底解决。
[0003]电池“应用时一致性较差，生产时一致性要求较高”，具体缺陷在于:
[0004]1.为达成很高的一致性指标，铅酸、锂离子电池的原材料和工艺须严格控制，整个产业为此增加的制造、管理、售后成本高达30%。比如在锂离子电池购料、储存、配料、拉浆、裁片、制片、叠片、焊接、注液、化成、配组和洁净度、湿度、真空度、工艺温度、储存温度以及售后维护、更换等方面及诸多环节中，花费了大量物力、财力、人力成本和时间。
[0005]2.锂离子电池组用于车辆高端用户，能量以更高密度分布在有限的结构中高度集成，所以制造时各电池芯稍有偏差就会对一致性造成较大影响；使用时串、并的单体很多，也很难保证一致性，故而必须配备电池均衡管理系统。
[0006]3.锂离子电池均衡系统使电池增加成本约1/3，为此电动轿车价格又多增约1万多元，电动客车价格也多增约10万元；如果再加上自身因一致性要求高而增加的30%成本，综合起来占电池成本的60%左右。
[0007]4.铅酸电池本身价格低，所以其均衡系统价格反而显得太高，用户难接受，电池多是简单串联，对其不一致基本上听之任之，由此差的电池把好的拉坏且恶性循环，总体寿命缩短1/4。业内虽广泛研究，但难有性价比高的均衡系统出现。
[0008]5.铅酸电池组在使用后期，不一致的情况才会较为严重，因此在前期使用的1年内，配备高价位的均衡系统并不合算，整车厂不愿增加此项配置，消费者面对这一部分费用也不太认同，除非其结构简单、价格很低。
[0009]6.铅酸电池组的使用后期，因不一致造成的单格缺水、硫化以及组内恶性循环、最后寿命衰减的问题严重，故障率很高。且铅酸电池比锂离子单体电池的浪费率高出很多倍，6-24V的铅酸电池，单格损坏很难单换，而是与其它好的2-11个单格一起替换或报废，成倍的浪费是极其严重的；而制造单体独立的电池，体积、重量、辅料约增加百分之十几，且安装不便。
[0010]7.锂离子电池只有大批量生产，原料和生产工艺的一致性才会更好；生产数量越大，配伍才越容易。因此只有生产一个比订单数量大的基数，才能交出一致性达标的电池组，组间差异才不至于很大；而过量投料生产出的富余电池，其延期存放、容量衰减、维护成本、销售等又很是问题。
[0011]8.电池出厂前还必须进行的长时间配组循环测试，耗能大且拖延了生产周期，配组必须非常精确，稍有差异则对电池组出厂后的使用寿命影响很大。
[0012]9.锂离子单体电池虽然理论寿命很高，即使配组成功后，在使用过程中，其寿命和实际利用率却因一致性差异而会逐步下降很多，实际寿命距理论寿命相去甚远，单体常需更换，造成车辆停驶，尤其是使用后期，故障率和维护成本会越来越高，单体性能的浪费是很严重的，无疑需要一种均衡技术来彻底解决。
[0013]10.组内单体严重不一致，更换的新单体与旧单体仍然不会完全一致，寻找完全一致的电池芯成功率很低；换上有差异的电池还会面临再次更换；较多单体损坏后，组内即使仍有部分好电池，也很难再配组利用其价值，大多只能整组报废。
[0014]11.电池组因不一致更换部分电池包或单体后，与原充电器、均衡器的匹配很容易出现问题，过充、过放、失水、过热、着火的潜在风险较大。
[0015]12.从铅酸电池电动自行车一直到高速锂电电动汽车等多种车型，全周期内多次所换电池是“裸”车价格的2-5倍，所以降低一致性要求及降本增寿非常重要，解决得好回报率很高；解决不好，损失经常会超过车辆自身价格。
[0016]铅酸或锂离子电池不仅在新能源车辆上使用，在其它用电设备上也有大量应用，但只要配伍成组，总会不同程度地出现上述诸多问题，正所谓龙生九子，而随着生长延续，高矮胖瘦一致是绝难达成的。
[0017]而偏见总是存在于在技术突破之前，业内对这些状况的暂时偏见在于:
[0018]1.现有主被动均衡技术大多在充电上做少量均衡，没有在放电时做好均衡——这等于一边在充电均衡，一边在放电时制造更大的不均衡；而放电电流是最大的，不做好放电均衡，等于是完全放弃了电池均衡的主战场。一般来说电池最高初始充电倍率仅为
0.1-ο.3C，而电动车辆放电电流倍率可高达1-3C，多到数百安培，电流是充电时的10倍，并且比充电时还要频繁变化激烈很多倍，也正是大放电电流才最影响了电池后天性的不一致；充电时包含的小均衡电流比主充电电流还小，更是没法与主充电、主放电电流相比的，差2-3个数量级。比如电动轿车运行时的电池放电比固定使用的电池要恶劣很多倍，单体之间的差异根本不是毫安级的均衡电流能矫正得过来的。现有技术没有在放电时做强有力的均衡，一边做微小的充电均衡，一边又放任放电时生成很大的不均衡是难以抑制频繁大幅度的变化干扰的。
[0019]2.更遗憾的是放电差异产生后却得不到及时均衡，而是在差异继续加深之后，在充电后期再去修补。从放电开始算起，这个间隔有的是数小时，有的是很多天；且这种滞后的修补无论多少次也是亡羊补牢，因为充电之后又总是去用放电的更大差异来破坏这种修补。但业内仍然迷信地以为充电均衡能够弥补上一次大放电的大差异，也能够预先屏蔽下一次大放电的大差异。其实产生差异之后最好马上均衡，否则一个单体差异马上就会作用于整个电池组而产生更大不均；放电不均后若干个小时或几天后再去充电均衡，但是之前那么长时间的放电不均和长期静置不均衡是一直积累，长时间严重存在的。
[0020]3.越是大设备的“高电压-大电流-多单体”电池系统，差异就越明显，比如锂离子电池用于手机等小设备时故障少，而用于电动汽车、蓄能电站等，整体的可靠性就很差。问题本质上起因于其很高的能量和功率密度，越是集中在越小的体积内就越难以控制分布相同，无法形成超一致的多单体组合。原因还在于，均衡实际上也存在一个密度问题，“均衡能量和功率密度”必须能够与大设备“电池能量和功率密度的差异变动”相匹配或有余力，才能对差异具有压制力。电池是电化学生命体，出厂前时间短但电化结构奠定了内因差异基础；出厂后受外因影响时间长，电化反应随时随地有变化，所以在不断受到内外因作用的过程中，电池能量密度的不均必然暴露且始终嬗变。而电特性却只是电池外特性，现有技术大多只是从外电特性着手做了“小电流小压差小功率浅均衡”，不能深度调整电池内部电化反应，治标不治本，所以达不到大电池组所需的要求更高的均衡效果。
[0021]4.现有技术始终把“暂时的电压相等或荷电状态相等”当成目标，却不以寿命相等作为长远均衡目标，方向本身就存在很大错误和偏差，必然“差之毫厘，失之千里”;往往电指标在表面上次次均衡了实际却“次次未均衡”，各单体寿命走势依然相差较多，没有改变电池本身差异，最终部分所述电池单元脱离控制范围必然先寿终正寝。也根本没有注意到在全寿命周期内，电池作为被控对象的容量和滞后性是很大的，充放电负荷的大变动“干扰”非常剧烈，有时甚至是阶跃的巨大干扰突然加给整个电池组，单回路的简单控制系统根本不可能满足控制要求，需要更高级的控制算法才能做到充分的提前响应和对大干扰的包容控制。
[0022]应用才是目的，电池安全地等寿命发挥效益才应该是均衡的目标，追求电池状态暂时均衡绝对不该是最终目标。单就电池寿命预测来说，2009年第11期《电源技术研究与设计》中，中国汽研中心的孟祥峰、北理工的孙逢春、林程、王震坡发表了《动力电池循环寿命预测方法研究》一文，对锰酸锂离子电池失效寿命进行了充分研究，证明电池寿命可以相当准确地进行外推，其它研究也有一些；而关于放电电流、电压、深度、温度与电池寿命的确切关系，业内早已有了很多研究结果，在电池说明书特性曲线图中都可以具体查到。这两方面的技术群，属于很好的公开技术，但可惜仍没有深入应用到电池均衡技术的实际运算策略中。
[0023]5.此外偏见还在于，现有均衡手段是分流或转移能量，业内人员也认识到“要达到更好均衡，能量分流或转移电路的成本必然很高”、“能耗低了效果差，能耗大了浪费电能”。这些观点只关注了电池内部，简单地认为电池自身需要配备完备的均衡电路，所以既增加了很多成本，又浪费了单体有限的循环寿命，还浪费了宝贵的电池能量，而电池能量是比电网能量贵很多倍，因为储能的电池太贵了。
[0024]经调研，现在市场上仍没有“能超越现有技术，完全解决电池一致性，大大降低电池一致性要求，大幅节约电池出厂前的原材料、工艺技术要求以及后期的维护成本，让整个上、中、下游产业链松绑而成本骤降”的方法，展会上也没有产品出现；经检索也未发现能纠正现有技术“放电失衡、均衡滞后、难堪大用、寿命不一、成本很高”的偏见，从而充分挖掘和利用电池价值的方法及公开文献。
【发明内容】
[0025]本发明针对现有技术无很好的放电实时均衡、寿命不均衡、无谓耗能且成本高、治标不治本的问题，提供一种全新的电储能装置均衡方法。
[0026]本发明的基础方案是:所述用电设备内所述电池组连接并给所述主负载、电附件供电；所述电池组内包括多个相互连接的电池单元，所述电池单元是电池包或单体；所述电附件是附件总成或所述附件总成内的附属器件，所述电池组内所述电池包或单体可串、并、混联